Химическая технология текстильных материалов. Учебное пособие

2.1.3. Щелочная отварка

Щелочная отварка является основной операцией процесса подготовки хлопчатобумажных тканей. Назначение этого процесса заключается в удалении природных примесей целлюлозы, а также примесей, нанесенных на волокно в прядении и ткачестве. Одновременно с этим необходимо обеспечить равномерную и высокую смачивающую и сорбционную способность при максимальном сохранении исходных физико-механических свойств хлопкового волокна. Это достигается в результате происходящих при отварке сложных физических, химических и коллоидно-химических процессов, таких как адсорбция, диффузия, набухание, растворение, эмульгирование, гидролиз и окисление.

Эффективное удаление примесей целлюлозы и получение высокой капиллярности достигается лишь при горячих щелочных обработках. Гидрофобные свойства хлопка обусловлены наличием на наружной поверхности волокна пектиновых, азотсодержащих (белковых) и воскообразных примесей. В процессе отварки в волокне протекают следующие химические процессы:

1.пектиновые вещества под действием щелочи при высокой температуре гидролизуются с образованием водорастворимых продуктов (пентозы, гексозы и др.);

2.белковые соединения в щелочной среде гидролизуются, а образующиеся натриевые соли аминокислот не только способны переходить в раствор, но и являются хорошими эмульгаторами, способствующими интенсивному удалению воскообразных веществ и других загрязнений с поверхности волокна.

3.воскообразные примеси, представляющие собой сложные эфиры высших кислот с жирными спиртами, частично гидролизуются под действием щелочи.

Выделяющиеся при этом, хотя и в незначительном количестве, жирные кислоты под влиянием щелочи образуют натриевые соли – мыла, обладающие высокой поверхностной активностью, хорошей растворимостью в воде и высокой эмульгирующей способностью. Такие вещества называют поверхностно-активными (ПАВ), поскольку они способны снижать поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз «варочная жидкость – воскообразные частицы». Молекулы ПАВ своими гидрофобными концами вступают в контакт с воскообразными примесями и полярными гидрофильными группами

31

ориентируются в сторону варочного раствора. При этом расплавленная капля воска стягивается по периметру, превращаясь в шарообразную микрокаплю, удерживаемую поверхностью волокна в одной точке.

Эмульгированные поверхностно-активными веществами воскообразные частицы отрываются от поверхности волокна и переходят в раствор, образуя устойчивую эмульсионную систему. Путем омыления жировых веществ удаляется около 40% воскообразных примесей, остальные выводят из волокна введением в

варочную жидкость дополнительного количества ПАВ. Такие ПАВ должны обладать не только поверхностно-активными свойствами, но и высокой эмульгирующей способностью, то есть не вызывать слипания частиц и расслаивания эмульсии. ПАВ должны биологически расщепляться в сточных водах, обладать устойчивостью к действию высоких температур и быть сравнительно недорогими.

Экстрагированные из волокна примеси и образующиеся при отварке осадки гидроксидов металлов должны удерживаться в растворе и повторно не сорбироваться волокном.

Минеральные вещества, сопутствующие целлюлозе, при взаимодействии со щелочью образуют гидраты, растворимые в воде, и удаляются при промывке.

В процессе отварки не исключена возможность каталитического окисления целлюлозы активным кислородом, так как при высокой температуре обработки кислород воздуха в присутствии щелочей образует перекисные соединения. Последние взаимодействуют с целлюлозой, в результате чего получается оксицеллюлоза.

Данные теоретические предпосылки учитываются при реализации процесса отварки на практике. Так в состав варочной жидкости кроме гидроксида натрия (основного компонента, разрушающего практически все примеси) и ПАВ дополнительно вводят силикат натрия – Na2SiO3 и восстановители (традиционно бисульфит натрия – NaHSO3).

Силикат натрия адсорбирует продукты распада естественных примесей целлюлозы и тем самым устраняет возможность их повторного осаждения на волокно. Кроме того, он выступает в качестве защитного средства, препятствующего образованию на ткани осадков гидроксидов металлов в виде ржавых пятен. Последние образуются в варочной жидкости из компонентов, содержащихся в воде – солей железа, солей жесткости и др. – в виде устойчивых коллоидных гидрозолей. Силикат натрия коагулирует их, превращая в грубодисперсные частицы, не способные сорбироваться волокном.

32

Восстановители в составе варочной жидкости выполняют две функции: защищают целлюлозу от окисляющего действия кислорода воздуха и способствуют удалению лигнина, содержащегося в механических примесях. Помимо бисульфита натрия, в условиях непрерывных процессов отварки при высоких концентрациях щелочи, в качестве восстановителей рекомендуют использовать ронгалит, диоксид тиомочевины, сульфид натрия, а в последние годы – антрахинон и его производные.

На качество отварки оказывают влияние такие факторы как сортность хлопкового волокна, характер крутки, линейная плотность пряжи, структура ткани и др. В зависимости от этого отварку проводят либо в варочных котлах (периодический способ), либо в запарных варочных аппаратах или запарных машинах различной конструкции (непрерывные способы).

Периодический способ отварки тканей в котлах обеспечивает высокое качество обработки и является незаменимым при подготовке марли, а также плотных, тяжелых тканей, выработанных из засоренного хлопка. Принцип работы котла заключается в двустороннем (сверху вниз и снизу вверх) прокачивании варочной жидкости с концентрацией щелочи 9–12 г/л при температуре 130 оС в течение 4 часов через толщу текстильного материала, плотно и равномерно уложенного в котле в виде жгута. Со всеми подготовительными операциями – загрузка ткани, заполнение котла раствором, разогрев варочной жидкости, расхолаживание котла, выборка ткани – общая длительность цикла отварки составляет 12 часов. Поэтому обработка тканей периодическим способом – процесс весьма трудоемкий и длительный, требующий большого расхода электроэнергии и воды.

Непрерывные способы отварки, как и периодические, должны обеспечить высокую капиллярность ткани, но за более короткое время (1 час). На практике это достигается повышением концентрации веществ, содержащихся в варочной жидкости. Так концентрацию

100–130 г/л.

Щелочная отварка по непрерывному способу осуществляется на поточных линиях, в состав которых могут входить машины различной конструкции. Пропитанная варочной жидкостью ткань в виде жгута или расправленного полотна обрабатывается насыщенным водяным паром при температуре 101–103оС в течение 1–2 часов, а затем

33

тщательно промывается. Машины для непрерывной обработки тканей входят в состав линий беления и составляют секцию отварки. Этим достигается высокая производительность непрерывных способов подготовки (беления) хлопчатобумажных тканей. Исключительно важную роль при этом играет паровая среда, в которой ткань быстро прогревается и набухает, что значительно интенсифицирует процесс удаления примесей. Сама ткань выполняет функции реактора, поскольку все рассмотренные ранее процессы удаления примесей протекают непосредственно в ее структуре.

2.1.4. Беление

Целью беления является повышение степени белизны отваренной ткани и ее капиллярности.

Белизна – один из важнейших показателей качества хлопчатобумажных тканей. От степени белизны зависит возможность использования тканей для изготовления изделий различного ассортимента. В соответствии с требованиями стандартов белизна бельевых тканей должна быть не менее 80%, а для улучшенных сортов

– 83%, белизна сорочечных тканей должна составлять 87–88%. Основные свойства отбеленных тканей оценивают по степени белизны, гидрофильности (капиллярности) и сохранности целлюлозы.

Сущность процесса беления состоит в разрушении природных красящих веществ хлопка, которые придают неотбеленным тканям буроватую или кремовую окраску. При отваривании в щелочных растворах красящие пигменты не претерпевают заметных изменений, поэтому при белении их разрушают с помощью окислителей.

В качестве отбеливателей в текстильной технологии в основном используют три типа окислителей: гипохлориты натрия или кальция, перекись водорода и хлорит натрия. Очень редко для беления используют надуксусную кислоту и производные дихлоризоциануровой кислоты. Для достижения высокого эффекта белизны применяют оптические отбеливающие вещества (ООВ).

34

Беление гипохлоритами

Для беления используют техническую хлорную известь (СаСlО2∙СаО∙4Н2О) или гипохлорит натрия (NaClO). Приготовление рабочих растворов хлорной извести производится путем медленного выщелачивания и многократного отстаивания водных суспензий технического продукта. Последний представляет собой сложную смесь веществ, часть которых при белении образует осадки – шламы, загрязняющие производство и осложняющие работу отбельных цехов. Поэтому в настоящее время предпочтение отдают использованию NaClO. Гипохлорит натрия как технический продукт не существует, вследствие нестабильности. Его получают непосредственно на отделочных предприятиях путем электролиза раствора поваренной соли или способом насыщения растворов гидроксида натрия газообразным хлором. При этом протекает реакция:

2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + H2O

Гипохлорит натрия как соль, образованная слабой кислотой и сильной щелочью, в водных растворах легко гидролизуется по схеме:

NaClO + H2O = HClO + NaOH

Считают, что именно хлорноватистая кислота (НClO) является белящим агентом, поскольку разлагается с выделением активного атомарного кислорода, который и оказывает отбеливающее действие:

НClO HCl + O

При этом образуется соляная кислота, что проявляется в снижении рН среды при отбеливании. Реакция среды (кислая, нейтральная, щелочная) в значительной степени влияет на процесс гидролиза, а следовательно, и на отбеливающее действие гипохлорита. Количество образующейся НClO падает с ростом рН среды (повышением щелочности), вследствие снижения степени гидролиза NaClO, что, в свою очередь, приводит к уменьшению скорости беления. При понижении рН (в кислой среде) происходит обратный процесс – равновесие сдвигается в сторону увеличения концентрации хлорноватистой кислоты. Однако, в кислой среде при рН<4,5, концентрация HClO вновь падает по причине выделения газообразного хлора. При этом отбеливающий эффект снижается, а система начинает проявлять хлорирующее действие. В этих условиях происходит коррозия оборудования, а ядовитый хлор ухудшает экологию. Доказано, что при белении в нейтральной среде (рН = 7) имеет место наибольшее повреждение целлюлозы, особенно при высоких температурах, вызывающих самоокисление хлорноватистой кислоты.

35

Таким образом, при белении гипохлоритами следует жестко регламентировать режим отбеливания. Его следует проводить в слабощелочной среде (рН = 8,5–10,0) при температурах ниже 35оС, когда эффективность отбеливания достаточно высока, а деструкция волокна незначительна.

Беление пероксидом водорода

В настоящее время пероксид водорода и основанные на его использовании способы беления получили наиболее широкое применение во всем мире. Это объясняется тем, что при реализации перекисного способа беления достигается высокое качество беления, устойчивость белизны, сохранение прочности целлюлозы, экологическая безопасность. Кроме того, перекись водорода является доступным и достаточно дешевым отбеливающим препаратом. При его использовании происходит разрушение примесей, что позволяет значительно сократить время предшествующей белению щелочной отварки или совсем исключить ее из технологической цепочки подготовки ткани.

Основным недостатком перекиси водорода является ее неустойчивость, что вызывает необходимость стабилизации белящих растворов. Реакция разложения перекиси водорода протекает по уравнению:

2Н2О2 = 2Н2О + О2 С точки зрения эффективности процесса беления эта реакция

является нежелательной, поскольку не обеспечивает необходимой степени белизны, а кислород повреждает целлюлозу. Приведенная реакция каталитически ускоряется на свету, в присутствии ионов металлов, в щелочной среде и при повышенных температурах.

Отбеливающее действие оказывает продукт диссоциации

перекиси водорода как кислоты с образованием пергидроксил-иона: Н2О2 = Н+ + НО2-

Процесс электролитической диссоциации, а следовательно, и увеличение концентрации иона НО2-, ускоряется в щелочной среде и при увеличении температуры, благодаря связыванию ионов водорода

ионами ОН-. Реакция протекает по схеме:

Н2О2 + ОН- = Н2О + НО2- Образование основной белящей частицы – пергидроксил-иона –

еще более усиливает нежелательную реакцию каталитического

разложения перекиси водорода:

Н2О2 + НО2- = Н2О + О2 + ОН-

36

Поэтому, чтобы в условиях беления в максимальной степени сохранить основные белящие частицы НО2- и повысить устойчивость перекисных растворов, в систему необходимо вводить стабилизирующие добавки. Наиболее распространенным стабилизатором, предотвращающим каталитическое разложение Н2О2, является силикат натрия.

Беление хлоритом натрия

Основными достоинствами хлорита натрия (NaClO2) как отбеливателя являются: практически полное отсутствие окислительной деструкции целлюлозы, высокая скорость беления, разрушение хлоритом не только окрашенных примесей волокна, но и большинства других сопутствующих веществ. В то же время применение хлорита натрия связано с определенными трудностями. Его растворы обладают сильным коррозирующим действием на оборудование, а продукты его разложения являются токсичными веществами.

Единого мнения в отношении механизма беления хлоритом натрия не существует. Экспериментально установлено, что беление NaClO2 наиболее активно протекает в кислой среде при рН= 3–4,5 в присутствии специальных активаторов.

Основные технологии беления хлопчатобумажных тканей

В зависимости от применяемых отбеливателей различают следующие основные способы подготовки (беления) хлопчатобумажных тканей.

Классический щелочно-гипохлоритный способ. Он основан на применении щелочей для отваривания и гипохлоритов для собственно беления. Суровые ткани после опаливания и расшлихтовки отвариваются в варочных котлах и отбеливаются солями хлорноватистой кислоты по следующей технологии. Ткань пропитывают раствором гипохлорита с концентрацией 0,5–1 г/л по активному хлору при температуре не выше 40оС и рН = 8,5–10 и выдерживают в емкостных компенсаторах в течение 2–3 часов, затем тщательно промывают водой. Далее материал кислуют, то есть обрабатывают разбавленным раствором серной кислоты с целью разрушения остатков гипохлорита на волокне, что обеспечивает сохранение прочности ткани. После этого следует окончательная промывка горячей и холодной водой.

Непрерывный запарной щелочно-перекисный способ. Его можно осуществлять в две стадии путем отваривания, а затем беления в

37

паровой среде или за счет совмещения обеих операций в одну стадию. Для подготовки (беления) тканей по этому способу используют поточные линии, на которых ткань может обрабатываться в виде жгута или расправленным полотном.

При двухстадийном способе беления ткань пропитывают щелочным варочным раствором при 60–70oC, отжимают до 100–110 %-ной влажности запаривают в течение 1–2 часов в запарной машине и промывают горячей, холодной водой, разбавленным раствором H2SO4 и снова водой. На этом процесс отварки заканчивается. Далее ткань пропитывается белящим перекисным раствором, обрабатывается в запарной машине насыщенным водяным паром в течение 30 –40 минут и промывается горячей и холодной водой. Технологический перекисный раствор содержит: Н2О2 (3–5 г/л), NaOH (pH = 10–11), Na2SiO3 и ПАВ.

Хлоритный способ. Несмотря на ряд технологических трудностей (коррозия оборудования, выделение токсичных газообразных продуктов) беление хлоритом приобретает все большее практическое значение. Благодаря избирательному воздействию на сопутствующие целлюлозные примеси и мягкому действию на волокно, хлорит натрия широко применяется для беления тканей из смеси целлюлозных и синтетических волокон, а также для беления льняных тканей.

Перед белением ткань опаливают, расшлихтовывают ферментами и промывают. Затем пропитывают горячим раствором хлорита натрия, содержащим помимо основного компонента, NaNO3, ПАВ и активатор (NH4H2PO4). Нитрат натрия ингибирует корродирующее действие хлорита на оборудование. С точки зрения расхода NaClO2 и уменьшения образования двуокиси хлора ClO2 процесс беления предпочтительнее вести при рН = 3,5–4. После пропитки белящим раствором ткань отжимают до 100 %-го привеса и запаривают 1–2 часа при температуре 101–103 оС, пропитывают горячим раствором соды с добавкой ПАВ и окончательно промывают водой. Щелочная обработка обеспечивает необходимую капиллярность ткани.

2.1.5. Мерсеризация

Мерсеризация является процессом облагораживания хлопчатобумажных тканей, в результате которого они приобретают комплекс ценных потребительских свойств: повышенную

38

гигроскопичность и накрашиваемость, устойчивый шелковистый блеск, эластичность и дополнительную прочность.

Внастоящее время классическую операцию мерсеризации проводят обработкой пряжи или ткани под натяжением концентрированными (250–300 г/л) растворами гидроксида натрия в течение 30–90 секунд при комнатной температуре.

Врезультате такой обработки в хлопковом волокне происходят физические, химические и структурные изменения.

Физические изменения проявляются в сильном набухании волокна вследствие проникновения щелочи сначала в аморфные, а затем и в ориентированные зоны. Степень набухания характеризует

активность процесса мерсеризации и увеличивается с понижением температуры. Оптимальной является температура 16оС. При набухании стенки волокна утолщаются, оно приобретает цилиндрическую форму, внутренний канал практически исчезает. В результате волокна лучше отражают световые лучи, усаживаются, а ткань приобретает блеск, шелковистость, становится плотнее, прочнее, эластичнее. Чтобы снизить усадку и усилить блеск мерсеризацию проводят под натяжением.

Врезультате действия на целлюлозу концентрированных растворов щелочи и последующей промывки водой, происходит последовательное превращение целлюлозы сначала в щелочную целлюлозу, а затем в гидратцеллюлозу. Число гидроксильных групп целлюлозы, реагирующих со щелочью, изменяется в зависимости от концентрации NaOH, температуры и наличия вспомогательных веществ в мерсеризационной ванне.

Химические превращения практически не изменяют состава целлюлозы, но существенно влияют на ее надмолекулярную структуру. Сорбция целлюлозой щелочи сопровождается частичным разрушением межмолекулярных водородных связей, что приводит к декристаллизации целлюлозы, увеличению доли аморфных областей на 10–20 % и образованию новой структурной модификации – целлюлозы II. В результате волокно проявляет повышенную сорбционную и реакционную способность, становится более гигроскопичным, легче окрашивается. Этому способствует также увеличение площади поперечного сечения волокна, его объема, размера пор внутри волокна.

Хлопчатобумажные ткани лучше мерсеризовать после расшлихтовки и щелочной отварки. Однако, это разрывает цепочку

39

непрерывного способа подготовки, поэтому мерсеризацию тканей часто проводят в суровом виде.

Ткани мерсеризуют на цепных и валковых машинах непрерывного действия. Материал пропитывают концентрированным раствором щелочи и выдерживают в натянутом состоянии 1 –5 минут, чтобы обеспечить реакцию NaOH с целлюлозой. Затем интенсивно промывают горячей водой, причем для лучшего удаления щелочи ее попеременно обрабатывают паром и водой в специальной машине – пароводяном выщелачивателе. Оставшийся в волокне едкий натр отмывается очень трудно, поэтому ткань пропитывают разбавленным раствором серной кислоты, с целью нейтрализации NaOH.

Для мерсеризации предложено также использовать жидкий аммиак, который быстро смачивает даже суровые материалы и эффективно проникает в волокно, вызывая его набухание.

2.2. Подготовка льняных тканей

Льняное волокно по составу аналогично хлопковому, поэтому при подготовке льняных тканей сохраняется сущность физико-химических явлений, свойственных подготовке хлопчатобумажных тканей.

Особенности подготовки изделий из льна обусловлены спецификой структуры, а главное большим содержанием примесей (до 25% от массы волокна). Наличие в льняном волокне лигнина, который придает материалу деревоподобность, грубость, жесткость, и природных красителей в значительной степени осложняет процесс беления льняных тканей.

Чтобы добиться высокой степени очистки и предотвратить возможные повреждения технического волокна, процесс подготовки льняных материалов проводят в две стадии.

Первая из них предусматривает окислительную отварку льняной ровницы или пряжи в аппаратах периодического действия при температуре 98–100оС, в течение 2–3 часов. Варочный раствор содержит: пероксид водорода, силикат натрия и соду. Отваренный полуфабрикат промывают, высушивают и вырабатывают из него полубелую ткань. Вследствие частичной очистки льняной пряжи от примесей, она становится более мягкой и эластичной, что положительно сказывается на процессе ткачества.

40